(57)【要約】【課題】  マイコンメータの保護機能を無効にすることなく、マイコンメータによる警報の発生を回避して、燃料電池システムの運用効率の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  マイコンメータ２を通過した商用ガスＧを導入し改質して水素に富む燃料ガスｈを生成する改質装置３１と、燃料ガスｈを導入し電気化学的反応により負荷側に供給する電力を発電する燃料電池３２とを有する燃料電池ユニット３と；負荷側で使用された消費電力を計測する消費電力計測手段３９と；消費電力計測手段３９で計測された消費電力のスケジュールに基づいて、燃料電池ユニット３の運転を開始した後第１の所定時間が経過するまでの間に、燃料電池ユニット３を第２の所定時間の間停止状態に保持する制御装置９とを備える。【選択図】  図１
2005353292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定時間ガスが流れ続けたときに警報を発するメータを通過した商用ガスを導入し該商用ガスを改質して水素に富む燃料ガスを生成する改質装置と、該燃料ガスを導入し電気化学的反応により負荷側に供給する電力を発電すると共に熱を発生する燃料電池とを有する燃料電池ユニットと；
前記負荷側で使用された消費電力を計測する消費電力計測手段と； 
前記燃料電池ユニットの起動及び停止を制御する制御装置であって、前記消費電力計測手段で計測された消費電力のスケジュールに基づいて、前記燃料電池ユニットの運転を開始した後第１の所定時間が経過するまでの間に、前記燃料電池ユニットを第２の所定時間の間停止状態に保持する制御装置とを備える；
燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記スケジュールから読み取った前記消費電力が、最小となる時間帯又は前記燃料電池ユニットの最小出力以下となる時間帯であって、且つ前記消費電力計測手段で計測された消費電力が所定の電力以下のときに前記燃料電池ユニットを停止状態に保持する；
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池で発生した熱を、温水を媒体として蓄える貯湯ユニットと；
前記貯湯ユニットから負荷側に向けて導出される温水の流量を計測する温水流量計測手段と；
前記温水流量計測手段で計測された温水の流量のスケジュールに基づいて、前記燃料電池ユニットの運転を開始した後第１の所定時間が経過するまでの間に、前記燃料電池ユニットを第２の所定時間の間停止状態に保持する制御装置とを備える；
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記スケジュールから読み取った前記負荷側で使用される熱量が前記貯湯ユニットにあるときに前記燃料電池ユニットを停止状態に保持する；
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記スケジュールから読み取った前記温水の流量が最小となる時間帯に前記燃料電池ユニットを停止状態に保持する；
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に所定時間ガスが流れ続けたときに警報を発するメータを通過した商用ガスを燃料ガスに改質して導入する燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境保全に対する関心が高まる中、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や窒素酸化物等の有害ガスの排出量を大幅に削減することができる燃料電池を備えた発電システムである燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、一般的に、改質器において原料燃料を改質して水素に富む燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電するシステムである。原料燃料は、都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油などの種種の原料燃料を使用することができるが、特に分散型電源として家庭に燃料電池システムが設置されるときは、入手容易性の観点から都市ガス等の商用ガスが用いられる。
【０００３】
ところで、商用ガスの供給を受けるときは、安全性の観点から所定時間ガスが流れ続けたときに警報を発したり自動的にガスの流れを遮断するメータを介してガスの供給を受ける場合があり、特に家庭で商用ガスの供給を受ける場合は顕著である。このような保護機能を持つメータは一般にマイコンメータと呼ばれている。マイコンメータは、例えば、ゴム管が外れたときのようにガスが不自然に大量に流れた場合や風呂のつけ放しのように必要以上にガスの使用時間が長い場合のように一定時間以上所定の流量のガスが流れたときに自動的にガスの流れを遮断し、さらに、ゴム管にヒビがありガスが漏れて微小量のガスが所定時間（例えば３０日以上）流れ続けた場合のようなときには警報を発するという機能を持つメータである。
【０００４】
燃料電池も燃料ガスの原料燃料として商用ガスを用いる場合はマイコンメータを通過したガスを改質器に導入することがあり、特に家庭においてはマイコンメータを介してガスの供給を受けることが一般的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一定の電力負荷が絶えずある場合は、燃料電池を常に運転させるために燃料電池の運転に合わせて改質器に商用ガスを導入していると、所定時間（例えば３０日以上）ガスが流れ続けたときに、それが正常な運転であってもマイコンメータはガス漏れがあったと誤認して警報を発する場合がある。警報が発せられるとユーザーが警報を止めなければならないという煩わしさがあり、また、警報を止めるためには所定時間（例えば３分以上）マイコンメータがパルスを検出しない状態、すなわちガスの流れが無い状態にしなければならない。警報を止めるために改質器に導入するガスの流れを遮断すると燃料ガスの生成が停止され、燃料ガスの供給が絶たれた燃料電池も停止してしまう。一旦燃料電池の運転が停止してしまうと定常運転の状態に戻るまでに時間がかかる。これが電力負荷が大きい時間帯に行なわれると多くの電力を外部から購入しなければならず、燃料電池システムを導入したメリットを充分に活かすことができない、すなわち運用効率の低下を招くことになる。一方、安全性の観点からマイコンメータの保護機能を無効にすることは難しい。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑み、マイコンメータの保護機能を無効にすることなく、マイコンメータによる警報の発生を回避して、燃料電池システムの運用効率の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために請求項１に記載の燃料電池システムは、例えば図１に示すように、所定時間ガスが流れ続けたときに警報を発するメータ２を通過した商用ガスＧを導入し該商用ガスＧを改質して水素に富む燃料ガスｈを生成する改質装置３１と、燃料ガスｈを導入し電気化学的反応により負荷側に供給する電力を発電すると共に熱を発生する燃料電池３２とを有する燃料電池ユニット３と；負荷側で使用された消費電力を計測する消費電力計測手段３９と；燃料電池ユニット３の起動及び停止を制御する制御装置９であって、消費電力計測手段３９で計測された消費電力のスケジュールに基づいて、燃料電池ユニット３の運転を開始した後第１の所定時間が経過するまでの間に、燃料電池ユニット３を第２の所定時間の間停止状態に保持する制御装置９とを備える。
【０００８】
このように構成すると、消費電力計測手段で計測された消費電力のスケジュールに基づいて、燃料電池の運転を開始した後第１の所定時間が経過するまでの間に、燃料電池を第２の所定時間の間停止状態に保持するので、メータが警報を発することを回避する燃料電池システムを構築することができる。
【０００９】
なお、「商用ガス」とは、都市ガスやプロパンガスなどの対価を支払って外部から供給を受けるガスをいう。また、「負荷側」とは、電気や給湯などの熱を消費する部分をいい、「スケジュール」とは、一日のうちで負荷側が電気や熱を消費する時間帯をいう。また、「第１の所定時間」は、典型的には、ゴム管にヒビがあってガスが漏れたときのように、所定の流量のガスが一定時間以上流れたときにメータが警報を発するのに要する時間（例えば３０日）である。また、「第２の所定時間」は、典型的には、第１の所定時間の計測を中断するために必要な時間（例えば６０分）である。
【００１０】
また、請求項２に記載の燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、制御装置９は、スケジュールから読み取った消費電力が、最小となる時間帯又は燃料電池ユニット３の最小出力以下となる時間帯であって、且つ消費電力計測手段３９で計測された消費電力が所定の電力以下のときに燃料電池ユニット３を停止状態に保持する。
【００１１】
このように構成すると、スケジュールから読み取った消費電力が、最小となる時間帯又は燃料電池ユニットの最小出力以下となる時間帯であって、且つ消費電力計測手段で計測された消費電力が所定の電力以下のときに燃料電池ユニットを停止状態に保持するので、電力負荷が最小又は燃料電池ユニットの最小出力以下のときに燃料電池の運転を停止してメータを通過するガスの流れを第２の所定時間の間遮断することとなり、電力負荷が大きいときにメータの警報が発せられることを回避する結果燃料電池の運転が停止することを回避することができ、運用効率の低下を最小限に留めた燃料電池システムとなる。なお、「所定の電力」とは、典型的には、スケジュールから読み取った消費電力の最小値又は燃料電池ユニットの最小出力に相当する電力であり、余裕係数を掛けた値も含む。
【００１２】
また、請求項３に記載の燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池３２で発生した熱を、温水を媒体として蓄える貯湯ユニット４と；貯湯ユニット４から負荷側に向けて導出される温水の流量を計測する温水流量計測手段４９Ａ、４９Ｂと；温水流量計測手段４９Ａ、４９Ｂで計測された温水の流量のスケジュールに基づいて、燃料電池ユニット３の運転を開始した後第１の所定時間が経過するまでの間に、燃料電池ユニット３を第２の所定時間の間停止状態に保持する制御装置９とを備える。
【００１３】
このように構成すると、温水流量計測手段で計測された温水の流量のスケジュールに基づいて、燃料電池の運転を開始した後第１の所定時間が経過するまでの間に、燃料電池を第２の所定時間の間停止状態に保持するので、メータが警報を発することを回避し、さらに運用効率の低下を抑制した燃料電池システムを構築することができる。
【００１４】
また、請求項４に記載の燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、制御装置９は、スケジュールから読み取った負荷側で使用される熱量が貯湯ユニット４にあるときに燃料電池ユニット３を停止状態に保持する
【００１５】
このように構成すると、スケジュールから読み取った負荷側で使用される熱量が貯湯ユニットにあるときに燃料電池ユニットを停止状態に保持するので、負荷側で使用される熱量の蓄熱を燃料電池の排熱で賄うことができ、メータが警報を発することを回避すると共に運用効率の低下を抑制した燃料電池システムを構築することができる。なお、「スケジュールから読み取った負荷側で使用される熱量が貯湯ユニットにあるとき」とは、典型的には、燃料電池ユニットを停止する際に貯湯ユニットが保有している有効に利用可能な熱量が燃料電池ユニット停止中に使用されることが予想される熱量より多いとき、又は燃料電池ユニットを停止する際に貯湯ユニットが保有している有効に利用可能な熱量と燃料電池ユニットの運転が再開されてから蓄熱されることが予想される熱量との合計の熱量が燃料電池ユニット停止中を含めた以後使用されることが予想される熱量より多いときである。
【００１６】
また、請求項５に記載の燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、制御装置９は、スケジュールから読み取った温水の流量が最小となる時間帯に燃料電池ユニット３を停止状態に保持する。
【００１７】
このように構成すると、スケジュールから読み取った温水の流量が最小となる時間帯に燃料電池ユニット３を停止状態に保持するので、電力負荷のみならず熱需要も最小のときに燃料電池の運転を停止してメータを通過するガスの流れを第２の所定時間の間遮断することにより、電力負荷及び熱需要の少なくとも一方が大きいときにメータの警報が発せられることを回避する結果燃料電池の運転が停止することを回避することができ、さらに運用効率の低下を最小限に留めた燃料電池システムとなる。なお、スケジュールから読み取った温水の流量の最小とは、唯一最小の流量ではなく、ゼロを含む最小値付近の一定の幅内にある流量も含む。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、消費電力計測手段で計測された消費電力のスケジュールに基づいて、燃料電池の運転を開始した後第１の所定時間が経過するまでの間に、燃料電池を第２の所定時間の間停止状態に保持するので、メータが警報を発することを回避する燃料電池システムを構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図中、破線は制御信号を表す。
【００２０】
図１を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１を説明するブロック図である。燃料電池システム１は、燃料電池ユニット３と貯湯ユニット４と消費電力計３９と制御装置９と電力を蓄えるバッテリー６１とを備えている。
【００２１】
燃料電池ユニット３は、商用ガスＧを導入して改質し水素に富む燃料ガスｈを生成する改質装置３１と、燃料ガスｈと酸素を含有する酸化剤ガスａとを導入して電気化学的反応により発電し、水及び熱を発生する燃料電池３２とを備えている。
【００２２】
改質装置３１は、改質に必要な改質熱を得るための燃焼部３１ａを有する。また、改質装置３１は、商用ガスＧを導入するノズルと、改質剤ｓを導入するノズルと、改質反応により生成される燃料ガスｈを導出するノズルとを有する。さらに、燃焼部３１ａに、燃料電池３２から排出されるアノードオフガスｐを導入するノズルを有する。改質装置３１で生成された燃料ガスｈを導出するノズルは、燃料電池３２の燃料極３２ａと接続されている。商用ガスＧを導入するノズルには配管５３が接続されており、配管５３にはガス流量計３７と流量調整弁３８とが配置されている。配管５３は燃料電池ユニット３外の配管５２に接続されており、配管５２にはメータ２が配置されている。
【００２３】
ガス流量計３７と制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されている。ガス流量計３７は、燃料電池ユニット３の改質装置３１に導入されるガスＧの流量を計測し、計測したガスＧの流量を信号として制御装置９に送信することができるように構成されている。
【００２４】
流量調整弁３８は電動二方弁で、改質装置３１に導入するガスＧの流量を調整し、ガスＧの流れを遮断できるように構成されている。流量調整弁３８と制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されている。流量調整弁３８は制御装置９からの信号を受信して弁の開閉動作をすることにより、改質装置３１へのガスＧの導入を制御して燃料電池３２の運転及び停止を制御することができるように構成されている。
【００２５】
メータ２は、一定時間以上所定の流量のガスが流れたときにガスＧの流れを遮断し、所定時間ガスが流れ続けたときには警報を発する機能（安全装置）を持っており、マイコンメータと呼ばれることもある。メータ２は、例えば、ゴム管が外れたときのようにガスが不自然に大量に流れた場合や風呂のつけ放しのように必要以上にガスの使用時間が長い場合のように一定時間以上所定の流量のガスが流れたときに自動的にガスの流れを遮断し、さらに、ゴム管にヒビがありガスが漏れて微小量のガスが所定時間流れ続けた場合のようなときには警報を発するように構成されている。ここで、所定時間ガスが流れ続けたときに警報を発する場合における「所定時間」は、本実施の形態では３０日であり、これが第１の所定時間に相当する。また、所定時間ガスが流れ続けていても流れる量が極めて少量であるときはメータ２が警報を発することを回避することができるが、この場合における「極めて少量」とは、一般的に１０ｍｌ／ｍｉｎ程度以下の量なので、実質的に３０日（第１の所定時間）以内に一度ガスの流れを遮断する必要がある。また、メータ２は、３０日以内に所定時間の間ガスの流れが無い場合にガス漏れがなく正常であると判断し３０日の計測を中断して新たに３０日の計測を開始するが、この場合の「所定時間」は、本実施の形態では６０分であり、これが第２の所定時間に相当する。メータ２を通過したガスＧは、改質装置３１、補助加熱器４２Ａ、４２Ｂ、及びシステム外のガスコンロ等のガス器具９９などに供給される。
【００２６】
燃料電池３２は、固体高分子形燃料電池であり、燃料極３２ａと空気極３２ｂと冷却水流路３２ｃとを有する。燃料極３２ａには、改質装置３１で生成され導入される燃料ガスｈを導入するノズルと、アノードオフガスｐを排出するノズルが配置されている。空気極３２ｂには、ブロワ８８から送出される酸化剤ガスａを導入するノズルと、カソードオフガスｑを排出するノズルが配置されている。冷却水流路３２ｃには、循環ポンプ３５により圧送される冷却流体としての冷却水ｃを導入するノズルと、冷却水ｃを導出するノズルが配置されている。
【００２７】
空気極３２ｂに酸化剤ガスａを送るブロワ８８と制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されている。ブロワ８８は制御装置９からの信号を受信して回転翼の回転数を調整し、燃料極３２ａに送られる燃料ガスｈの流量に応じた流量の酸化剤ガスａを空気極３２ｂに送るように構成されている。
【００２８】
改質装置３１及び燃料電池３２を備える燃料電池ユニット３は、さらに燃料電池３２で発電された直流電流を交流電流に変換するインバータ３３、燃料電池３２で発生した熱を貯湯ユニット４に蓄えるために熱交換する熱交換器３４、冷却水流路３２ｃ及び熱交換器３４に冷却水ｃを循環させる循環ポンプ３５、熱交換器３４及び貯湯ユニット４に排熱温水ｔを循環させる循環ポンプ３６を備えている。
【００２９】
貯湯ユニット４は、燃料電池３２からの排熱を温水として蓄える貯湯槽４１と、貯湯槽４１から導出されて主として給湯に使用される消費温水ｕを加熱することができる補助加熱器４２Ａと、主として暖房や浴槽の追い炊き用に循環される循環温水ｗを加熱することができる補助加熱器４２Ｂと、消費温水ｕの流量を計測する消費温水流量計４９Ａと、循環温水ｗの流量を計測する循環温水流量計４９Ｂとを備えている。
【００３０】
貯湯槽４１は、上部には温度が上昇した排熱温水ｔを導入するノズルと給湯器具等の給湯負荷に向けて消費温水ｕを導出するノズルとが、下部には温度が下がった排熱温水ｔを熱交換器３４に向けて導出するノズルが配置されている。また、貯湯槽４１内の上部には電気で発熱する発熱体６２が配置されている。
【００３１】
補助加熱器４２Ａは、貯湯槽４１から導出される温度が高い消費温水ｕが流れる配管５４に配置されている。補助加熱器４２Ａは、流量調整弁４８Ａを介して商用ガスＧを導入し、導入したガスを燃焼させて配管５４内を流れる消費温水ｕを加熱できるように構成されている。流量調整弁４８Ａは電動二方弁で、補助加熱器４２Ａに導入するガスＧの流量を調整し、ガスＧの流れを遮断できるように構成されている。流量調整弁４８Ａと制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されている。流量調整弁４８Ａは制御装置９からの信号を受信して弁の開閉動作をすることにより、補助加熱器４２ＡへのガスＧの導入を制御して配管５４内を流れる消費温水ｕの温度を制御することができるように構成されている。
【００３２】
補助加熱器４２Ｂは、循環温水ｗが流れる配管５５に配置されている。補助加熱器４２Ｂは、流量調整弁４８Ｂを介して商用ガスＧを導入し、導入したガスを燃焼させて配管５５内を流れる循環温水ｗを加熱できるように構成されている。流量調整弁４８Ｂは電動二方弁で、補助加熱器４２Ｂに導入するガスＧの流量を調整し、ガスＧの流れを遮断できるように構成されている。流量調整弁４８Ｂと制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されている。流量調整弁４８Ｂは制御装置９からの信号を受信して弁の開閉動作をすることにより、補助加熱器４２ＢへのガスＧの導入を制御して配管５５内を流れる循環温水ｗの温度を制御することができるように構成されている。
【００３３】
補助加熱器４２Ａの上流側の配管５４には温度検知器４３が、下流側の配管５４には温度検知器４４がそれぞれ配置されている。補助加熱器４２Ｂの上流側の配管５５には温度検知器４５が、下流側の配管５５には温度検知器４６がそれぞれ配置されている。各温度検知器４３、４４、４５、４６と制御装置９との間には信号ケーブルがそれぞれ敷設されている。温度検知器４３、４４は配管５４内を流れる消費温水ｕの温度をそれぞれ検知し、検知した消費温水ｕの温度を信号として制御装置９にそれぞれ送信することができるように構成されている。温度検知器４５、４６は配管５５内を流れる循環温水ｗの温度をそれぞれ検知し、検知した循環温水ｗの温度を信号として制御装置９にそれぞれ送信することができるように構成されている。
【００３４】
温度検知器４４の下流側の配管５４及び温度検知器４６の下流側の配管５５には消費温水流量計４９Ａ、循環温水流量計４９Ｂがそれぞれ配置されている。消費温水流量計４９Ａは、貯湯槽４１から導出される消費温水ｕの量、すなわち給湯負荷の量を計測できるように構成されている。循環温水流量計４９Ｂは、暖房器具や風呂の追い炊き配管を流れる循環温水ｗの量、すなわち暖房負荷や追い炊き負荷（以下「温水負荷」という。）の量を計測できるように構成されている。消費温水流量計４９Ａ、循環温水流量計４９Ｂと制御装置９との間には信号ケーブルがそれぞれ敷設されており、消費温水流量計４９Ａ、循環温水流量計４９Ｂで計測される温水の流量の計測結果を随時信号としてそれぞれ制御装置９に送信することができるように構成されている。
【００３５】
消費電力計３９は、燃料電池３２で発電されインバータ３３で交流に変換された電気と商用電源から供給を受ける電気Ｅとを導入し、機器の動力や電灯などの電力負荷に電気を供給するように構成されている。消費電力計３９は、電力負荷がどれくらいあったか、燃料電池ユニット３の発電量はどれくらいあったか、商用電源から電力の供給をどれくらい受けたかについて計測することができるように構成されている。消費電力計３９と制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されており、消費電力計３９で計測される発電電流の量や電力負荷の計測結果を随時信号として制御装置９に送信することができるように構成されている。
【００３６】
制御装置９は、消費電力計３９からの電力負荷計測信号を随時受信して、一日のうちのどの時間帯に電力負荷がどれくらいあったか、燃料電池ユニット３の発電量はどれくらいあったか、商用電源から電力の供給をどれくらい受けたかの計測結果を少なくとも３０日分保持できるように構成されている。また、消費温水流量計４９Ａからの給湯負荷信号及び循環温水流量計４９Ｂからの温水負荷計測信号を随時受信して、一日のうちのどの時間帯に給湯負荷信号及び温水負荷がどれくらいあったかの計測結果を少なくとも３０日分保持できるように構成されている。制御装置９は、消費電力計３９並びに消費温水流量計４９Ａ及び循環温水流量計４９Ｂから受信したそれぞれの信号に基づいて、必要な燃料電池３２での発電量及び必要な温水量を割り出し、必要に応じて流量調整弁３８、４８Ａ、４８Ｂに開度調節信号を送信し、必要に応じてブロワ８８に回転数調整信号を送信して燃料電池システム１の運転・停止を制御できるように構成されている。
【００３７】
バッテリー６１は、燃料電池ユニット３で発電された電力が電力負荷よりも多い場合に余剰電力を蓄えることができるように構成されている。また、バッテリー６１は、燃料電池ユニット３で発電された電力が電力負荷よりも少ない場合又は電力負荷がバッテリー６１の充電量で足りる場合には、放電して電力負荷の一部又は全部に充当することができるように構成されている。
【００３８】
なお、メータ２を通過した商用ガスＧは、燃料電池システム１を構成する燃料電池ユニット３及び貯湯ユニット４以外である、燃料電池システム１外のコンロ等のガス器具９９にも供給されている。
【００３９】
続いて図１を参照して燃料電池システム１の作用について説明する。
改質装置３１では、改質用水である改質剤ｓとメータ２を通過した商用ガスＧとが導入されて改質剤ｓと商用ガスＧとの水蒸気改質反応により水素に富む燃料ガスｈが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反応に必要な熱は燃焼部３１ａで燃焼用ガスが燃焼されることにより得られる。生成された燃料ガスｈは燃料電池３２の燃料極３２ａに送られる。
【００４０】
燃料電池３２では、燃料極３２ａに導入された燃料ガスｈとブロワ８８により空気極３２ｂに導入された酸化剤ガスａとの電気化学的反応により発電し、水と熱を発生する。反応に使われなかった燃料ガスｈ及び酸化剤ガスａは、それぞれアノードオフガスｐ、カソードオフガスｑとして燃料電池３２から排出される。アノードオフガスｐは改質装置３１の燃焼部３１ａに導かれ、水蒸気改質反応に必要な熱を得るために燃焼用ガスとして燃焼される。燃料電池３２で発電した電流は直流電流であり、インバータ３３にて交流電流に変換されて消費電力計３９に送電される。水は空気極３２ｂで発生し、発生した水が水蒸気の場合はカソードオフガスｑと混合して排出され、水滴の場合は酸化剤ガスａの風圧によりカソードオフガスｑと共に排出される。発生した熱は冷却水流路３２ｃを流れる冷却水ｃにより冷却される。冷却水流路３２ｃで受熱した冷却水ｃは循環ポンプ３５により熱交換器３４に圧送され、排熱温水ｔと熱交換される。
【００４１】
排熱温水ｔは、貯湯ユニット４の貯湯槽４１下部の温度が低い部分から採水されて循環ポンプ３６により熱交換器３４に圧送される。熱交換器３４で冷却水ｃから受熱して温度が上昇した排熱温水ｔは、貯湯槽４１上部に戻される。温度が上昇して貯湯槽４１に戻った排熱温水ｔは、貯湯槽４１の上部から消費温水ｕとして混合水栓などの給湯負荷に向けて導出される。貯湯槽４１から導出される消費温水ｕの温度が給湯負荷が必要とする温度以上であれば補助加熱器４２Ａは起動しないが、貯湯槽４１から導出される消費温水ｕの温度が給湯負荷が必要とする温度以下であれば流量調整弁４８Ａで流量調整されたガスＧが補助加熱器４２Ａに供給されて補助加熱器４２Ａが起動し、消費温水ｕを所定の温度になるように加熱する。補助加熱器４２Ａの発停の判断は温度検知器４３で検知される温度に基づいて行なわれ、流量調整弁４８Ａの開度調整は温度検知器４４で検知される温度に基づいて行なわれる。給湯負荷に向けて導出される消費温水ｕの流量は消費温水流量計４９Ａで計測され、計測された流量は信号として随時制御装置９に送信される。
【００４２】
一方、不図示の暖房器具や風呂の追い炊きなどが運転されると循環温水ｗが循環を開始し、暖房器具や風呂の追い炊きなどの運転が停止されると循環温水ｗの循環が停止する。循環温水ｗが循環している間は、流量調整弁４８Ｂで流量調整されたガスＧが補助加熱器４２Ｂに供給されて補助加熱器４２Ｂが起動し、循環温水ｗを所定の温度になるように加熱する。流量調整弁４８Ｂの開度調整は、温度検知器４６で検知される温度に基づいて行なわれる。流れる循環温水ｗの流量は消費温水流量計４９Ｂで計測され、計測された流量は信号として随時制御装置９に送信される。
【００４３】
燃料電池ユニット３から消費電力計３９に送電された電流は、不図示の電灯や電気機器などの電力負荷に向けて送電される。燃料電池ユニット３で発電された電力では要求される電力負荷に対して不足する場合は、不足分の電力を商用電源から供給を受け、燃料電池ユニット３で発電された電力と商用電源から供給を受けた電力Ｅとが合流して電力負荷に送電される。電力負荷に送電される電力は、消費電力計３９で計測され、計測された電力は信号として随時制御装置９に送信される。
【００４４】
上述のように商用ガスＧから供給を受けメータ２を通過したガスＧは、燃料電池ユニット３、貯湯ユニット４、燃料電池システム１外のガス器具９９などに分配される。燃料電池ユニット３は電力負荷がある限り運転を続けようとし、燃料電池ユニット３の運転を継続するには改質装置３１にガスＧを導入し続ける必要があるが、メータ２をガスが連続して第２の所定時間（本実施の形態では６０分）以上停止することなく第１の所定時間（本実施の形態では３０日）以上流れ続けた場合はメータ２が警報を発し、警報を止めるにはガスの流れを遮断しなければならない。警報を止めるためにガスの流れを遮断しなければならない時間帯が電力負荷が多い時間帯であった場合は、燃料電池ユニット３の発電電力が使用できなくなり運用効率が低下する。また、燃料電池は一度停止すると起動して定常運転に戻るまでに相当の時間がかかるため、定常運転になるまでの時間に電力負荷の多い時間帯が来てしまうと効率のよい燃料電池システム１の運転ができなくなる。また、警報を止めるためにガスの流れを遮断しなければならない時間帯が給湯負荷や温水負荷が多い時間帯であったときは、補助加熱器４２Ａ、４２Ｂに供給されるガスも遮断されてしまうため要求される温度まで消費温水ｕ及び循環温水ｗの温度を上昇させることができなくなる。
【００４５】
このような不都合を回避するため、燃料電池システム１は、燃料電池システム１の運転が開始されてから第１の所定時間（本実施の形態では３０日）以内の間で、電力負荷が最小又は燃料電池ユニット３の最小出力以下で且つ給湯負荷及び温水負荷が最小と予想される時間帯でさらにスケジュールから読み取った負荷側で使用される予想熱量が貯湯ユニット４に現にある場合に自ら燃料電池ユニット３の運転を停止する（いわゆる学習制御）ことにより、電力負荷並びに給湯負荷及び温水負荷が多い時間帯にメータ２で発せられた警報を止めるためにガスの流れを遮断することに起因する燃料電池システム１の運用効率の低下を防ぐこととしている。なお、一般的に、電力負荷が最小の時間帯は人が活動していない時間帯であると考えられ、ガス器具９９等の使用も無いと考えられる。以下、図２〜図４を参照して自ら燃料電池ユニット３の運転を停止するに至る流れについて説明する。なお、以下の説明で使用する構成の符号については、適宜図１を参照するものとする。
【００４６】
図２は、燃料電池ユニット３を運転開始後第１の所定時間が経過するまでの間に第２の所定時間の間停止する動作を説明するフローチャートである。
制御装置９は、消費電力計３９、消費温水流量計４９Ａ、循環温水流量計４９Ｂから受信した信号に基づきそれぞれ消費電力量、消費温水量、循環温水量を取得し、さらに消費電力計３９で計測された燃料電池ユニット３の発電量から発熱量を算出して貯湯ユニット４に蓄えられる熱量を算出し、燃料電池ユニット３の運転開始から２７日が経過するまでの各日の時間帯ごとに取得及び算出した結果を保持しておく（Ｓ２０１）。
【００４７】
一日の電力負荷の推移は電気が使用される場所（各家庭など）や日ごとに異なるのが一般的であることを考慮して、燃料電池ユニット３の起動から２７日が経過するまでの電力負荷の推移を制御装置９に保持しておく。電力負荷の推移として、例えば図３に示すようなものが把握される。図３において、電気は一日中常に使用されているが、６時から９時までと１７時から２３時までの使用量は多くなっており、電気使用のピークは１８時頃となっている。逆に、２時から６時までと１０時から１７時までの使用量が比較的少なくなっている。なお、燃料電池ユニット３の起動から定常運転に至るまでに必要な時間も把握しておく。
【００４８】
電力負荷の推移の把握と同様に、給湯負荷、温水負荷、蓄熱量の推移も制御装置９に保持しておく。給湯負荷の推移として、例えば図４に示すようなものが把握される。図４において、給湯は６時から８時までと１７時から２１時半まで使用され、２２時から２３時半までは断続的に使用されている。温水負荷の推移も、例示としての図示はしないが電力負荷や給湯負荷と同様に把握して制御装置９に保持しておく。また、蓄熱量の推移は給湯負荷及び温水負荷並びに電力負荷の推移から推測して制御装置９に保持しておく。
【００４９】
２７日間の各日・各時間帯の消費電力量、消費温水量、循環温水量、蓄熱量の取得及び算出結果から、最も運用効率の低下が少なく燃料電池ユニット３を停止できる時間帯の候補を抽出する（Ｓ２０２）。最も運用効率の低下が少なく燃料電池ユニット３を停止できる時間帯は、典型的には、予想される電力負荷が最小又は燃料電池ユニット３の最小出力以下で且つ給湯負荷及び温水負荷が最小となる時間帯であって、且つメータ２が警報を発するまでの時間の計測を中断できる第２の所定時間（本実施の形態では６０分）に燃料電池ユニット３の起動から定常運転に至るまでに必要な時間（例えば５０分）を加えた１１０分以上ある時間帯で、さらにスケジュールから読み取った負荷側で使用される熱量が貯湯ユニット４にある場合である。例えば図３及び図４に示した例においては、２時から６時までと１０時から１７時までである。
【００５０】
ここで、燃料電池ユニット３を停止できる候補の時間帯が複数あるときは、燃料電池ユニット３の再起動後の一定の時間帯に給湯負荷が少ないと予想される方の時間帯を選択する。上述のように燃料電池は一度停止すると起動して定常運転に戻るまでに相当の時間がかかるが、この間は燃料電池の排熱を利用することができない。すなわち、燃料電池ユニット３の再起動後に比較的多い給湯負荷が予想される時間帯に燃料電池ユニット３を停止すると、負荷は日によって変動することがあるので、読み取ったスケジュールから前倒しして給湯負荷が増加した場合は貯湯槽４１に蓄えてある温水量では不足する場合があり、この場合は燃料電池システム１の運用効率が低下することとなる。一方、燃料電池ユニット３の再起動後に比較的少ない給湯負荷が予想される時間帯に燃料電池ユニット３を停止すれば、貯湯槽４１に蓄えてある温水量が要求される給湯負荷に対して不足する事態が生じる可能性が低い。このような観点から、本実施の形態では２時〜６時を燃料電池ユニット３を停止できる候補の時間とするのがよい。
【００５１】
また、燃料電池ユニット３を停止できる候補の時間帯が複数あるときにいずれの時間帯で停止するかの別の判断基準として、燃料電池ユニット３を停止する時間が短かい時間帯を選択してもよい。一般的に、燃料電池は低出力で運転すると高出力で運転するよりも効率が低い。また、燃料電池は、起動・停止の際に予熱等の発電に供されない燃料を消費するため起動・停止の回数は少ない方がよい。すなわち、電力負荷が少なく燃料電池ユニット３を運転すると低出力運転となる場合は、一度燃料電池ユニット３を停止したら電力負荷が増加するまで停止させておいた方がよい場合がある。一方、蓄熱槽４１に蓄えられた温水は時間経過と共に放熱していくので燃料電池ユニット３の排熱が貯湯槽４１に蓄熱されないと貯湯槽４１内の蓄熱量が減少していく。したがって、蓄熱槽４１内の放熱による損失を抑制する観点からは、燃料電池ユニット３を停止する時間は第２の所定時間を超えた後は短かい方がよい。このような観点からも、本実施の形態では２時〜６時を燃料電池ユニット３を停止できる候補の時間とするのがよい。
【００５２】
なお、燃料電池ユニット３を停止できる候補の時間帯が複数あり、上記の利点が一つの時間帯に一致しない場合にいずれの燃料電池ユニット３を停止できる候補の時間で燃料電池ユニット３を停止させるかは、燃料電池システム１の利用者があらかじめ制御装置９に設定しておくことで適宜選択することができる。
【００５３】
ここから再び燃料電池ユニット３の運転を停止するに至る流れの説明に戻る。２８日目の燃料電池ユニット３を停止できる候補の時間（例えば２時〜２時１０分）になったとき、電力負荷が所定の電力（電力負荷が最小又は燃料電池ユニット３の最小出力）以下で且つ給湯負荷及び温水負荷が最小の状態で、さらにスケジュールから読み取った負荷側で使用される熱量が貯湯ユニット４にあるか否かを判断する（Ｓ２０３）。電力負荷が所定の電力以下で且つ給湯負荷及び温水負荷が最小の状態で、さらにスケジュールから読み取った負荷側で使用される熱量が貯湯ユニット４にあれば燃料電池ユニット３を停止するステップ（Ｓ２０５）に進み、なければ次のステップ（Ｓ２０４）に進む。
【００５４】
２９日目の燃料電池ユニット３を停止できる候補の時間（例えば２時〜２時１０分）が来たか否か判断し（Ｓ２０４）、時間が来ていなければ時間が来るまで待ち、時間が来たら電力負荷が所定の電力以下で且つ給湯負荷及び温水負荷が最小の状態で、さらにスケジュールから読み取った負荷側で使用される熱量が貯湯ユニット４にあるか否かにかかわらず、燃料電池ユニット３を停止するステップ（Ｓ２０５）に進む。燃料電池ユニット３が停止したときの電力は、商用電源から供給を受ける。電力負荷が所定の電力以下で且つ給湯負荷及び温水負荷が最小の状態ではないときに燃料電池ユニット３を停止すると燃料電池システム１の運用効率が良いとはいえないが、電力負荷並びに給湯負荷及び温水負荷が大きい時間帯に自動的に停止するよりは燃料電池システム１の運用効率の低下が少なくて済む。
【００５５】
燃料電池ユニット３が停止すると、メータ２が警報を発するまでの時間の計測を中断できる時間である第２の所定時間（本実施の形態では６０分）の計測が開始される（Ｓ２０６）。第２の所定時間の計測が開始された後は第２の所定時間が経過したか否かを判断するステップ（Ｓ２０７）に進む。第２の所定時間が経過していれば燃料電池ユニット３を再起動するステップ（Ｓ２０９）に進み、経過していなければ次のステップに進む。
【００５６】
第２の所定時間が経過していなければ、補助加熱器４２Ａ又は４２Ｂの使用があったか否かの判断（Ｓ２０８）をする。補助加熱器４２Ａ又は４２Ｂの使用が無ければ第２の所定時間が経過したか否かを判断するステップ（Ｓ２０７）に戻り、補助加熱器４２Ａ又は４２Ｂの使用があれば第２の所定時間を計測するステップ（Ｓ２０５）に戻って始めから第２の所定時間を計測し直す。
【００５７】
計測を開始してから第２の所定時間以上が経過すると、燃料電池ユニット３が再起動される（Ｓ２０９）。燃料電池ユニット３が再起動すると、再び２７日が経過するまでの各日の時間帯ごとに消費電力量、消費温水量、循環温水量、蓄熱量の取得及び算出結果を制御装置９に保持するステップ（Ｓ２０１）に戻る。以下、燃料電池ユニット３が第２の所定時間以上停止するまで上記の一連の動作を繰り返す。
【００５８】
以上の説明では、改質方式は水蒸気改質方式として説明したが、部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式であってもよい。部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式を採用した場合は燃焼部３１ａが不要になり、燃料電池ユニット３をコンパクトにすることができる。
【００５９】
以上の説明では第１の所定時間は３０日、第２の所定時間は６０分であるとして説明したが、これらに限定されないことはいうまでもない。
【００６０】
以上の説明では、電力負荷並びに給湯負荷及び温水負荷に基づいて燃料電池ユニット３を停止する時間帯の候補を決定したが、電力負荷のみに基づいて、又は電力負荷と給湯負荷に基づいて燃料電池ユニット３を停止する時間帯の候補を決定してもよいことはいうまでもない。
【００６１】
以上の説明では２７日以降に予備日を設けたが、停止までの期間を延ばす観点から、３０日目の負荷が少ない時間に停止するように設定してもよい。
【００６２】
以上のように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、メータ２の保護機能を無効にすることなく、ガスの流れの停止を最小限に抑制し、ガスの流れを停止するときは燃料電池システム１の運用効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１を説明するブロック図である。
【図２】燃料電池ユニットの運転開始後第１の所定時間が経過するまでの間に第２の所定時間の間停止する動作を説明するフローチャートである。
【図３】ある一日の電力負荷の推移を表すグラフである。
【図４】ある一日の給湯負荷の推移を表すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１    燃料電池システム
２    メータ
３    燃料電池ユニット
４    貯湯ユニット
９    制御装置
３１  改質装置
３２  燃料電池
３９  消費電力計
４９Ａ  消費温水流量計
４９Ｂ  循環温水流量計
Ｇ    商用ガス
ｈ    燃料ガス
ｔ    排熱温水
ｕ    消費温水
ｗ    循環温水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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